東哈薩克斯坦州土壤腐殖-殘積層重金屬分布特征?

瑪克薩特阿赫買提哈麗耶娃，呂光輝

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830046；2.哈薩克國立大學(xué)化學(xué)與生態(tài)學(xué)院，哈薩克斯坦阿拉木圖050040)

0 引言

土壤中廣泛分布著各類重金屬元素，包括銅、鋅、錳、鈷、鉛、鎘、鉻、鎳、砷、硒、汞等，這些重金屬主要來源于土壤母質(zhì)、農(nóng)業(yè)污染、工業(yè)污染等[1?5].通過浸濾作用、再利用、侵蝕及風蝕等在生物圈中遷移，而影響重金屬遷移的土壤因素有吸收能力、有機物質(zhì)、pH、氧化還原條件等[6?11].

土壤中不斷增長的“金屬壓力”對中亞地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重危害.然而，中亞地區(qū)缺乏土壤重金屬背景值的相關(guān)研究數(shù)據(jù).掌握土壤重金屬背景值數(shù)據(jù)可以加強對中亞地區(qū)土壤重金屬污染程度評價的客觀性，為定量分析周邊區(qū)域重金屬污染速度提供數(shù)據(jù)支持，而且明確自然狀態(tài)下的土壤重金屬背景值及分布狀況對開展中亞地區(qū)土壤重金屬污染修復(fù)工作具有廣泛的理論及實踐意義.本文通過分析東哈薩克斯坦州自然環(huán)境下土壤重金屬的含量及分布特征，為研究周邊地區(qū)重金屬污染提供科學(xué)的背景值.

1 自然概況

東哈薩克斯坦州位于哈薩克斯坦東部，在阿爾泰山西南、額爾齊斯河上游.北部同俄羅斯聯(lián)邦阿爾泰邊區(qū)相鄰，東部同中國新疆維吾爾自治區(qū)接壤.東哈薩克斯坦為典型大陸性氣候，具有明顯的地帶性景觀，分布有荒漠、草原、原始森林、永久冰川和高山.東部山坡為黑鈣土，往上是灰色森林土和山地草地土；桑盆地多為褐土，有些地段分布著沙土，西半部主要是含鹽堿的深栗色土，僅在西南部有一些淺栗色土（有時還能見到黑鈣土）[12].

2 研究對象及方法

研究區(qū)土壤樣品取自于1995—2007年間的野外考察（圖1）.選取腐殖土（A）-殘積層（B）土壤層，土壤樣品共628份.

土壤樣品采集后去除沙礫、植物根系等異物，避光自然風干，過100目土壤篩.實驗室測定土壤pH值、土壤有機質(zhì).用光比色測定法及雙硫腙法測定重金屬含量[13]，分析過程中使用“高座-2”光譜系統(tǒng)及“共振”電源以保證分析結(jié)果的敏感性及正確性.

利用SPSS 18.0 FOR WINDOWS統(tǒng)計軟件，對各類重金屬含量進行統(tǒng)計分析.

圖1 研究區(qū)示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)土壤中的重金屬含量的分布特征

研究顯示，在研究區(qū)土壤腐殖-殘積層中，銅、鋅、錳、鈷的平均含量依次低于其土壤中克拉克值含量的28.5%、58.4%、9.6%、36.0%（表1）.鉛的含量與它在土壤中的克拉克值相吻合，而鎘的含量是土壤中鎘克拉克值的1.9倍.研究區(qū)重金屬含量平均值呈以下遞減的順序：錳＞鋅＞銅＞鉛＞鈷＞鎘；重金屬在研究區(qū)土壤中變異系數(shù)值（%）呈以下遞減的順序：鎘（49.5）＞鈷（26.4）＞鉛（22.9）＞鋅（21.9）＞錳（19.4）＞銅（19.1）.

表1 重金屬在研究區(qū)不同土壤腐殖-殘積層（A+B）中的平均含量（n=628）

研究區(qū)不同土壤類型腐殖-殘積層（A+B）中的重金屬，銅、鈷、鉛、鎘在普通鹽堿地含量最高，分別為15.5、8.2、13.2、1.46 mg/kg；鋅、錳在草甸淡碳酸鹽土壤中含量最高，分別為25.8、845.1 mg/kg；銅含量的最低值出現(xiàn)在普通淡栗鈣土中（12.1 mg/kg）；鋅、錳、鈷、鉛、鎘的最低值出現(xiàn)在極度深栗鈣土中，值分別是16.8、691.7、4.3、6.8、0.45 mg/kg.如表2所示，土壤重金屬含量總體趨勢是：普通鹽堿地＞草甸淡碳酸鹽＞堿地淡栗鈣土＞極度草甸-淡栗鈣土＞普通淡栗鈣土＞極度深栗鈣土.由此可見，重金屬總含量最高值在堿地、鹽堿地和草甸土壤中，最低值出現(xiàn)在極度深栗鈣土和普通淡栗鈣土中.銅元素在極度深栗鈣土中變異最大，鋅、鎘元素在普通鹽堿地中的變異最大，而錳、鈷、鉛元素的變異程度在極度深栗鈣土中最大.

表2 重金屬在研究區(qū)不同土壤腐殖-殘積層（A+B）中總含量的變量-統(tǒng)計指數(shù)

分析發(fā)現(xiàn)，與栗鈣土相比，草甸土的重金屬含量要高一些，說明重金屬含量受到土壤的有機質(zhì)和細微分散的礦物相的影響，草甸土在A1-B1層具有大量有機質(zhì)積累.深栗鈣土和淡栗鈣土中重金屬總含量偏低是因為其具有較輕的力學(xué)成分（沙壤土、砂質(zhì)土）和較低的腐殖土含量，缺少有機質(zhì)及其成分和重金屬組成不同的復(fù)合化合物，也缺乏細的分散的礦物相（重金屬的強吸附劑）[14?16].因此，腐殖土、自然黏土（＜0.01mm）對重金屬總含量具有較明顯的影響（表3）.

隨著土壤中腐殖土含量的增加，重金屬總含量也呈增長的趨勢.銅元素在輕草甸土中與腐殖土和自然黏土的正相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)分別為80%、70%；鋅元素與輕草甸土的腐殖土呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)（80%），而與鹽堿地的腐殖土呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)（60%）；錳元素與淡栗鈣土和輕草甸土的自然黏土呈現(xiàn)較好的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為67%和65%；鈷元素與極度深栗鈣土的腐殖土具有顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為90%；鉛元素與輕草甸土的自然黏土具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（90%），其次為極度深栗鈣土的自然黏土（70%）；鎘元素與淡栗鈣土的自然黏土和輕草甸土的腐殖土具有較好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均為60%.

銅、錳元素與各土壤類型的pH值均呈現(xiàn)負相關(guān)，但不顯著；鋅元素在淡栗鈣土、草甸-淡栗鈣土、鹽堿地中與pH值呈現(xiàn)負相關(guān)，在極度深栗鈣土和輕草甸土中呈現(xiàn)正相關(guān)，相關(guān)關(guān)系不顯著.除輕草甸土外，鈷元素與其他5種土壤類型的pH值均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但不顯著；鉛元素與極度深栗鈣土、淡栗鈣土、鹽堿土的pH值表現(xiàn)為負相關(guān)，與草甸-栗鈣土、輕草甸土的pH值表現(xiàn)為正相關(guān)，但相關(guān)關(guān)系均不明顯；除極度深栗鈣土外，鎘元素在其他5種土壤類型中與pH值表現(xiàn)為負相關(guān)，但相關(guān)關(guān)系同樣不明顯.

土壤中腐殖土含量增加50%，則鋅、鈷、鎘含量分別增加40、30、70%；銅和錳總含量在腐殖-殘積層中均勻增長，其中最高值在A1層；錳、鈷和鉛含量變化不大.鈷和鎘含量從淡砂質(zhì)黏土到中等砂質(zhì)黏土出現(xiàn)急劇增長趨勢，分別增加20、60%.鋅和鈷含量從沙壤土到淡砂質(zhì)黏土轉(zhuǎn)變時增長了30%，鉛、鎘則增長了40%.隨著土壤力學(xué)成分的加重，錳和銅總含量增長.發(fā)現(xiàn)不同土壤類型不會對重金屬在其積累過程中產(chǎn)生本質(zhì)的影響.但是與其他土壤類型相比，發(fā)現(xiàn)普通鹽堿地中鋅和錳集結(jié)（濃度）升高，這是一個例外.研究地區(qū)土壤中重金屬總含量在集結(jié)克拉克值指數(shù)中具有鎘-錳地球化學(xué)專業(yè)化的特點：Cd7.5Mn0.8Pb0.7Co0.4Cu0.3Zn0.2.

綜上所述，研究土壤重金屬含量依賴性時必須考慮土壤的類型、亞類及其它變異，而不僅僅是普通研究方法所采用的所有總和.研究區(qū)重金屬總含量背景值略低于可允許最高濃度值時[17?19]，土壤中一些元素對農(nóng)業(yè)動物可能產(chǎn)生病理影響，與其比較，銅、鋅、鈷背景含量處于閾值下限，而錳在正常范圍內(nèi)（表4）.與其他地區(qū)土壤相比，研究地區(qū)土壤中銅、鋅和鈷含量較低，而錳含量較高.因此，同一時期土壤中的農(nóng)業(yè)化學(xué)指數(shù)會對重金屬在不同地形-地球化學(xué)區(qū)域的含量產(chǎn)生影響[20,21].

表3 研究區(qū)域土壤重金屬在腐殖-殘積層中總形式含量和農(nóng)業(yè)化學(xué)指數(shù)的相互關(guān)系

表4 重金屬元素在土壤中集結(jié)的閾值濃度（按照B.B.科瓦里斯基[14]），mg/kg

3.2 研究區(qū)不同土壤類型重金屬含量的差異性分析

重金屬總含量在土壤剖面中分布不一致.銅、鋅、鎘在A1層含量具有最高值，最低值出現(xiàn)在殘積層B.殘積層重金屬含量升高是因為該層自然黏土（<0.01 mm）碳酸鹽和堿性物質(zhì)沉淀導(dǎo)致重金屬含量增加.水性土壤懸浮液在表層A1反應(yīng)堿性較弱，但隨著深度增加而加強.也就是說pH值接近中和時重金屬吸收有機質(zhì)和黏土礦物質(zhì)最強.重金屬在腐殖-殘積層土壤中（A1、B1、B2）含量分布規(guī)律如下：銅、鋅、錳、鈷、鉛、鎘6種重金屬均在A1層含量最高，分別為14.3、23.4、799.9、7.1、11.6、1.19 mg/kg；銅、鋅、鎘3種重金屬含量在B2層最低；錳、鈷、鉛3種重金屬含量在B1層最低（圖2）.

由此可知，重金屬含量在土壤剖面的垂直分布具有差異，腐殖層（A1）土壤中有機質(zhì)含量高于殘積層B（B1+B2），因而重金屬在A1層中的含量要高于殘積層B（B1+B2）（圖2），其中銅含量為1.3-12.8%、鋅為10.5-39.0%、錳為1.9-26.8%、鈷為2.2-25.0%、鉛為0.8-22.0%、鎘為10.0-52.7%.重金屬元素含量在土壤垂直剖面中的分布呈遞減順序（圖2），而且6種重金屬的含量遞減順序依次是鎘＞鉛＞鋅＞錳＞鈷＞銅.鎘在土壤腐殖-殘積層容易遷移；相反，銅屬于相對穩(wěn)定元素，在土壤中不容易遷移，與有機質(zhì)可以形成穩(wěn)定的復(fù)合物.研究表明，各類土壤中的重金屬總含量和土壤種類間的相關(guān)性不一致，見表3.

圖2 腐殖土、自然黏土（＜0.01mm）對重金屬總含量的影響及重金屬的分布

4 結(jié)論

東哈薩克斯坦地區(qū)自然環(huán)境土壤中的重金屬（銅、鋅、錳、鈷、鉛、鎘）隨著植被類型、土壤種類多樣性的不同表現(xiàn)出不同含量.研究區(qū)土壤的鎘、錳含量具有鎘-錳地球化學(xué)特性Cd7.5Mn0.8Pb0.7Co0.4Cu0.3Zn0.2.土壤重金屬含量總體趨勢為普通鹽堿地＞草甸淡碳酸鹽＞堿地淡栗鈣土＞極度草甸-淡栗鈣土＞普通淡栗鈣土＞極度深栗鈣土，與富含有機質(zhì)的土壤類型存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤pH值無顯著相關(guān)性.而在土壤垂直剖面上，腐殖層（A1）的重金屬含量高于殘積層B（B1+B2）.同樣，研究明確了土壤中銅、鋅、鈷總含量處于較低水平，錳的含量略低于可允許最高濃度值.該地區(qū)土壤重金屬含量的增長趨勢存在由深/淺栗鈣土向鹽堿地土壤轉(zhuǎn)移的趨勢，而且任何一種土壤類型內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)和腐殖土特征都會影響重金屬的含量，比重小的土壤及弱腐殖土土壤重金屬含量低，重金屬總含量在土壤腐殖-殘積層（A+B）中的分布是不均衡的，重金屬聚積在腐殖層(A層)，且向B1、B2殘積層遷移.

綜上所述，通過研究建立當?shù)赝寥乐亟饘贁?shù)據(jù)庫（銅、鋅、錳、鈷、鉛、鎘），并用于自然環(huán)境土壤重金屬的進一步監(jiān)測及研究工作，以及對耕種富含銅、鋅、鈷的谷類、飼料作物、葵花、土豆等作物的重金屬污染研究提供數(shù)據(jù)支持.

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